Что же выяснилось в отношении этих двух опытных образцов, налетавших по нескольку часов? Оба ЦКБ-12 -с М-22 и с «Райт» «Циклоном» - оказались весьма схожими в пилотировании, энергично реагировали на действия рулей, легко переходили с фигуры на фигуру, однако не допускали резких движений ручкой управления. Особую осторожность приходилось проявлять во время посадки. Самолет не допускал высокого выравнивания, стремился свалиться на крыло. В то же время пилоты отметили, что И-16 на взлете и посадке более устойчив, чем истребитель И-14, разработанный в ЦАГИ. И на виражах он оказался не столь строгим по сравнению со своим конкурентом. Из двух опытных ЦКБ-12 машина с двигателем М-22 внушала большее доверие («Райт» «Циклон» вызывал на втором экземпляре нежелательные вибрации), поэтому на ней «под-летнули» в эти первые дни испытаний пилоты Юмашев и Чернавский. По единодушному мнению летчиков, самолет таил в себе еще много загадок, считался довольно опасным, поэтому выполнение фигур, вплоть до крутых виражей, на нем запрещалось на неопределенное время. Тем не менее решение о серийном производстве оставалось в силе, поэтому в акте утверждения испытаний начальник ВВС Алкснис приказал начать подбор особо подготовленных летчиков для освоения нового истребителя. Ибо летные характеристики, среди которых определяющей являлась полетная скорость, во время десятидневных испытаний зафиксировали весьма неплохие:
Среди недостатков, присущих опытным экземплярам, отметили несовершенную систему бензопитания, хлипкий фонарь, слабое крепление прицела, неудобные плечевые привязные ремни. Для более комфортной посадки в кабину пилоты рекомендовали оборудовать на борту фюзеляжа специальную подножку или стремянку. Однако стремление обеспечить чистоту аэродинамических форм привело к тому, что такое приспособление на самолете не монтировалось никогда. При посадке летчики становились на обрез крыльевого зализа, а затем подтягивались в кабину.
Еще одним моментом, отнесенным к недостаткам И-16, стало сомнение в благополучном выходе его из штопора. В частности, аэродинамик ЦАГИ Журавченко, опираясь на результаты аэродинамических продувок, считал, что этот короткохвостый самолет предрасположен к плоскому штопору, и даже предлагал переместить вверх стабилизатор, подобно тому, как это было сделано на И-14. На совещаниях 17 января и 21 февраля 1934 г., посвященных проблеме штопора на И-16, ни один из инженеров или летчиков не смог сказать ничего определенного в пользу поликарповского истребителя. Для разрешения сомнений оставался крайний вариант - подняться в воздух и умышленно ввести самолет в штопор.
В течение двух дней - 1 и 2 марта 1934 г. - испытатель Валерий Чкалов на машине с двигателем М-22 произвел 75 срывов на штопор, которые показали следующее. При потере скорости и нейтральном управлении И-16 в штопор не входил: свалившись на крыло и сделав полвитка, самолет снова выходил в прямолинейный полет. В случае принудительного ввода (ручка на себя и «дача» педали) И-16 входил в штопор с устойчивым характером вращения. Вывод из вращения без проблем осуществлялся при нейтральной установке рулей. Тенденций к плоскому штопору отмечено не было.
После устранения основных недостатков и установки колесного убираемого шасси оба опытных ЦКБ-12 отправили для продолжения испытаний в Крым, на аэродром школы военных летчиков № 1 под Севастополем. Машина с М-22 (ведущий - летчик Коккинаки) летала с убранным шасси с целью определения скоростных характеристик. Результаты оказались обнадеживающие. У земли максимальная скорость составила 359 км/ч, на требуемых пяти километрах - 325 км/ч.
Однако система уборки шасси оказалась ненадежной, механизм подъема часто заедал и отказывал. Поэтому на втором экземпляре - ЦКБ-12бис с «Райт» «Циклоном» - шасси на испытаниях решили не убирать. Но даже эти предосторожности не спасли машину от неприятности. 14 апреля во время совершения посадки, на последней стадии пробега разрушился узел крепления правой стойки шасси, и самолет лег на брюхо. Повреждения оказались небольшие - погнули лопасти воздушного винта и слегка помяли нижнюю часть фюзеляжа, однако крымские испытания для этого экземпляра закончились.
Еще через неделю закончили летать на машине с М-22. Если аварийный самолет упаковали в ящик и отправили для ремонта на завод поездом, то ЦКБ-12 М-22 летчик Чкалов перегнал в Москву по воздуху. 1 мая 1934 г. этот самолет в группе с полуторопланом ЦКБ-3 (И-15) и цагов-ским И-14 впервые продемонстрировали в полете над Красной площадью.
Второй опытный экземпляр ЦКБ-12бис после возвращения в Москву подвергли значительным изменениям. Самолет оснастили новым двигателем «Райт» «Циклон» F-3 с капотом тоннельного типа, близкого к так называемому капоту «Уоттера». Кроме этого, на самолете усилили крыло, переднюю кромку консолей зашили дюралевым листом вплоть до первого лонжерона, доработали шасси, щели элеронов и рулей хвостового оперения закрыли подвижными дюралевыми щитками.